微波技术与天线实验4利用HFSS仿真分析矩形波导
波导仿真设计实验报告
一、实验背景与目的随着微波技术、通信技术和雷达技术的发展，波导作为一种重要的微波传输线，其设计优化对于提高微波系统的性能具有重要意义。
本实验旨在通过电磁场仿真软件HFSS，对矩形波导进行仿真设计，分析其传输特性，并对其进行优化，以达到提高传输效率和降低损耗的目的。
二、实验内容与方法1. 实验内容本实验主要包括以下内容：（1）建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）进行仿真计算，得到波导的传输特性；（4）分析仿真结果，优化波导设计。
2. 实验方法（1）使用HFSS软件建立矩形波导的几何模型；（2）设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等；（3）选择合适的仿真求解器，进行仿真计算；（4）分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等；（5）根据仿真结果，对波导设计进行优化。
三、实验步骤1. 建立矩形波导的几何模型使用HFSS软件，根据设计要求，建立矩形波导的几何模型。
首先，设置波导的尺寸参数，包括内径、外径、高度等。
然后，定义波导的介质材料，如空气、介质板等。
2. 设置仿真参数设置仿真参数，包括介质材料、边界条件等。
例如，设置波导的介质材料为空气，边界条件为完美电导体（PEC）。
3. 进行仿真计算选择合适的仿真求解器，进行仿真计算。
本实验采用时域求解器，设置仿真频率范围为1GHz～20GHz。
4. 分析仿真结果分析仿真结果，包括传输线特性、损耗、阻抗匹配等。
通过分析仿真结果，了解波导的传输特性，并对波导设计进行优化。
5. 优化波导设计根据仿真结果，对波导设计进行优化。
例如，调整波导的尺寸参数、介质材料等，以降低损耗、提高传输效率。
四、实验结果与分析1. 传输特性仿真结果表明，矩形波导在1GHz～20GHz的频率范围内具有良好的传输特性。
在频率较低时，波导的传输损耗较小；在频率较高时，波导的传输损耗较大。
2. 损耗通过分析仿真结果，发现波导的损耗主要由介质损耗和辐射损耗组成。
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计
基于HFSS矩形微带天线仿真与设计【摘要】本文主要介绍了基于HFSS软件的矩形微带天线仿真与设计。
在详细阐述了研究背景、研究目的和研究意义。
接着对HFSS软件进行了介绍，并解释了矩形微带天线的原理。
然后介绍了设计流程和仿真结果分析，分析了天线性能并提出了优化方案。
在总结了研究成果，展望未来研究方向并提出了结论建议。
本文通过HFSS软件对矩形微带天线进行仿真和设计，为提高天线性能提供了重要参考，具有一定的实用价值和研究意义。
【关键词】HFSS、矩形微带天线、仿真、设计、天线性能、优化、原理、设计流程、结果分析、研究成果、展望未来、结论建议、研究背景、研究目的、研究意义1. 引言1.1 研究背景本文旨在通过对HFSS软件介绍、矩形微带天线原理、设计流程、仿真结果分析和天线性能优化等内容的探讨，对基于HFSS矩形微带天线的仿真与设计进行研究，从而提高微带天线的性能和应用效果。
这对于推动无线通信技术的发展，提升通信系统的性能和稳定性具有重要的意义。
1.2 研究目的研究目的是通过基于HFSS矩形微带天线仿真与设计，探索提升天线性能的方法和技术。
具体包括优化天线结构设计，提高频率带宽和增益，降低回波损耗和辐射损耗，以满足不同应用场景下对天线性能的要求。
通过对矩形微带天线原理的深入研究，结合HFSS软件的应用，将为天线设计领域的发展带来重要的参考价值。
通过本研究，旨在为提高通信系统的传输质量和覆盖范围提供有效的技术支持，推动无线通信技术的不断创新和发展。
1.3 研究意义矩形微带天线是一种常见的微波天线结构，具有简单的制作工艺、较宽的工作频带和良好的方向性等优点，因此在通信领域得到广泛应用。
本文基于HFSS软件对矩形微带天线进行仿真与设计，旨在深入研究其性能特点与优化方法，为微波通信系统的设计与优化提供参考。
本研究的意义主要表现在以下几个方面：研究矩形微带天线的仿真与设计可以深入理解其工作原理和特性，为进一步优化性能提供基础。
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
. . . .. .矩形微带贴片天线的仿真设计实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz天线结构尺寸如表所示：名称起点尺寸类型材料Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.05 28.1，32，0.05 Box pecPatch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16, 0.05 Box pec MSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 , 0.05 Box pecPort -3.1125，-16，-0.05 2.49 ,0, 0.894 RectangleAir -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn一、新建文件、重命名、保存、环境设置。
（1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。
（2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。
（4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。
二、建立微带天线模型(1)、插入模型设计（2）、重命名输入0841(3)点击创建GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05修改名称为GND, 修改材料属性为 pec，(4)介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794，修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
微波专业技术与天线实验3利用HFSS仿真分析矩形波导
微波技术与天线实验报告实验名称：实验3：利用HFSS仿真分析矩形波导学生班级：学生姓名：学生学号：实验日期：2011年月日一、 实验目的学会HFSS 仿真波导的步骤，画出波导内场分布随时间变化图，理解波的传播与截止概念；计算传播常数并与理论值比较。
二、 实验原理矩形波导的结构如图1，波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。
x yz图 1矩形波导1） TE 模，0=z E 。
coscos z z mn m x n y H H e a b γππ-= 2cos sin x mn c z n m x n y E H b a bj k e γπππωμ-= 2sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b γωμπππ-=-2sin cos z x mn c m m x n y H H e k a a bγλπππ-= 2cos sin z y mn c n m x n y H H e k ba b γλπππ-= 其中，c kmn H 是与激励源有关的待定常数。
2） TM 模Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。
注意：对于mn TM 和mn TE 模，m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。
mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即c k （mn TM ）=c k （mn TE ）所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=222⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a mc f （mn TM ）=c f （mn TE ）对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。
由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。
当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。
矩形波导仿真实验报告
矩形波导仿真实验报告一、实验目的本实验旨在通过仿真矩形波导的传输特性，掌握矩形波导的基本原理和设计方法，深入了解电磁场在波导中的传输规律。
二、实验原理1. 矩形波导的基本结构和参数矩形波导是一种常用的微波传输线，其基本结构为由四个金属板构成的空心矩形管道。
其中，上下两个板为宽度为b，高度为h的金属板，左右两个板为长度为L，高度为h的金属板。
其参数包括截止频率fc、特征阻抗Zc等。
2. 矩形波导中电磁场的传输规律在矩形波导中，电磁场沿着z轴方向传播，在x和y方向上则呈驻波分布。
当工作频率小于截止频率fc时，在波导内只能传播TM模式；当工作频率大于截止频率fc时，则只能传播TE模式。
3. 矩形波导仿真软件——HFSSHFSS是一款常用于微波电路仿真分析软件，可以对各种微波元器件进行建模和仿真分析。
在本次实验中，我们将使用HFSS对矩形波导进行仿真分析。
三、实验内容1. 建立矩形波导模型首先，在HFSS软件中建立矩形波导模型。
具体步骤如下：（1）新建工程，选择3D Layout Design。
（2）在布局窗口中绘制矩形波导的截面图。
（3）设置边界条件和材料属性等参数。
2. 分析矩形波导的传输特性接下来，通过对矩形波导进行仿真分析，得到其传输特性曲线。
具体步骤如下：（1）在HFSS软件中选择“Insert”->“Sweep”->“Frequency”，设置频率范围和步进值。
（2）运行仿真分析，并得到S参数曲线。
（3）根据S参数曲线，计算出截止频率fc和特征阻抗Zc等重要参数。
3. 优化矩形波导的设计最后，根据分析结果对矩形波导的设计进行优化。
可以通过改变材料属性、尺寸等参数来调整其传输特性。
四、实验结果与分析通过上述步骤，我们得到了一组典型的仿真结果。
如图所示：从图中可以看出，在截止频率以下，矩形波导的传输特性较好，可以实现较低的插入损耗和反射损耗。
随着频率的增加，传输特性逐渐变差。
因此，在实际应用中，需要根据具体要求进行优化设计。
电磁场与微波技术实验2矩形波导仿真与分析
实验二 矩形波导仿真与分析一、实验目的：1、 熟悉HFSS 软件的使用；2、 掌握导波场分析和求解方法，矩形波导高次模的基本设计方法；3、 利用HFSS 软件进行电磁场分析，掌握导模场结构和管壁电流结构规律和特点。
二、预习要求1、 导波原理。
2、 矩形波导模式基本结构，及其基本电磁场分析和理论。
3、 HFSS 软件基本使用方法。
三、实验原理由于矩形波导的四壁都是导体,根据边界条件波导中不可能传输TEM 模,只能传输TE 或TM 模。
这里只分析TE 模(Ez=0)对于TE 模只要解Hz 的波动方程。
即采用分离变量，并带入边界条件解上式，得出TE 模的横向分量的复振幅分别为（1）矩形波导中传输模式的纵向传输特性①截止特性波导中波在传输方向的波数β由式9 给出222000220z z c z H H k H x y ∂∂++=∂∂式7000220002200020002()cos()sin()()sin()cos()()sin()cos()()cos()sin()z x c c z y c c y x H c x y H c H n m n E j j H x y k y k b a b H m m n E j j H x y k x k a a b E m m n H j H x y Z k a a b E n m n H j H x y Z k b a b ωμωμπππωμωμπππβπππβπππ∂⎧==⎪∂⎪⎪∂==-⎪∂⎪⎨⎪=-=⎪⎪⎪==⎪⎩式822222c c k k ππβλλ=-=-式9式中k 为自由空间中同频率的电磁波的波数。
要使波导中存在导波,则β必须为实数,即k 2＞k 2c 或λ＜λc(f ＞f c ) 式10如果上式不满足,则电磁波不能在波导内传输,称为截止。
故k c 称为截止波数。
矩形波导中TE 10模的截止波长最长,故称它为最低模式,其余模式均称为高次模。
由于TE 10模的截止波长最长且等于2a,用它来传输可以保证单模传输。
微波技术与天线实验4魔T仿真
一实验要求利用HFSS建立一个波导魔T，尺寸为50mmx20mm，端口顺序如图1。
图1 魔T端口顺序二实验过程1.画图魔T的四个分支可以由三个长方体构成。
2.组合将所有的图形选中，Modeler>Boolean>Unite，将四个在分支组合为一个整体。
3.设置激励源分别将波导的4各端口按图1的顺序分别设置为wave port1、wave port2、wave port3、wave port3。
4.设置求解条件在HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup中将频率设置为3.7GHz;，AdaptiveSolution 下的Maximum Number of设为10，Maximum deta S设为0.001（如图2）。
点击确定。
图2 设置求解条件点击HFSS>Analysis Setup>Add Frequency Sweep,设置如图3图3 扫频设置5.检查及运行计算。
点击检查，显示无错（如图4），然后点击运行。
图4 检查无错窗口6.查看仿真结果HFSS>Results>Creat Modal Solution Data Report>Rectangular Plot，出现界面如图5，Category列设为缺省值S Parameter，Quantity列设为缺省值S(1,1)，Function列设为缺省值dB，然后点击New Report；接着Quantity列设为S(1,2)，点击Add Trace；Quantity列设为S(1,3)，点击Add Trace；Quantity列设为S(1,4)，点击Add Trace。
最终图形如图6（a）（颜色已经改过）。
同样可以得到S31、S32、S33、S34曲线如图6（b）。
图5 报告窗口（a）S11、S12、S13、S14曲线（b）S31、S32、S33、S34曲线图6 S参数曲线7 改变激励端口将所有图形转中，点击鼠标右键>Plot Field>E>Mag_E，得到图形如图7，通过动画Animation可以看到波从端口1入射，分别从端口2和4传出。
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告
基于HFSS矩形微带贴片天线的仿真设计报告矩形微带贴片天线的仿真设计实验目的：运用HFSS的仿真能力对矩形微带天线进行仿真实验内容：矩形微带天线仿真：工作频率7.55GHz天线结构尺寸如表所示：名称起点尺寸类型材料Sub -14.05，-16，0 28.1，32，0.794 Box Rogers 5880 （tm）GND -14.05，-16，-0.0528.1，32，0.05 Box pecPatch -6.225，-8，0.794 12.45 , 16,0.05Box pecMSLine -3.1125，-8，0.794 2.49 , -8 ,0.05Box pecPort -3.1125，-16，-0.052.49 ,0, 0.894 RectangleAir -40，-40，-20 80，80，40 Box Vacumn 一、新建文件、重命名、保存、环境设置。
（1）、菜单栏File>>save as,输入0841，点击保存。
（2）. 设置激励终端求解方式：菜单栏HFSS>Solution type>Driven Termin ，点击OK。
（3）、设置模型单位：3D Modeler>Units选择mm ，点击OK。
（4）、菜单栏Tools>>Options>>Modeler Options,勾选”Edit properties of new pri”, 点击OK。
二、建立微带天线模型(1)、插入模型设计（2）、重命名输入0841(3)点击创立GND,起始点：x:-14.05，y:-16，z:-0.05，dx:28.1,dy:32,dz:0.05修改名称为GND, 修改材料属性为 pec，(4) 介质基片：点击，：x:-14.05，y:-16，z:0。
dx: 28.1，dy: 32，dz: 0.794，修改名称为Sub，修改材料属性为Rogers RT/Duriod 5880，修改颜色为绿色，透明度0.4。
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实验3：利用
HFSS 仿真分析矩形波导
一、 实验原理
矩形波导的结构（如图1），尺寸a×b, a>b ，在矩形波导内传播的电磁波可分为TE 模和TM 模。
图1 矩形波导
1）
TE 模，0=z E 。
cos
cos z
z mn m x n y H H e a b
γππ-= 2
cos sin x mn c z n m x n y E H b a b
j k e γπππωμ-=
2
sin cos z y mn c j m m x n y E H e k a a b
γωμπππ-=-
2sin
cos z x mn c m m x n y H H e k a
a b
γλπ
ππ-=
2cos
sin z y mn c n m x n y H H e k b
a b
γλπ
ππ-=
其中，c k =2
2
m n a b ππ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
+而mn H 是与激励源有关的待定常数。
2）
TM 模
Z H =0，由Z E 的边界条件同样可得无穷多个TM 模。
注意：对于mn TM 和mn TE 模，
m, n 不能同时为零，否则全部的场分量为零。
mn TM 和mn TE 模具有相同的截止波数计算公式，即
c k （mn TM ）=c k （mn TE ）
=
所以，它们的截止波长c λ和截止频率c f 的计算公式也是一样的，即
c λ（mn TM ）=c λ（mn TE ）=
2
2
2⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛b n a m
c f （mn TM ）=c f （mn TE ）
对于给定的工作频率或波长，只有满足传播条件（f >c f 或λ<c λ）的模式才能在波导中传播。
由公式可以看出矩形波导的c f ，c λ不仅与波导的尺寸a, b 有关，还和模指数m, n 有关。
当a, b 一定时，随着f 的改变，矩形波导可以多模传播，也可以单模传播，甚至也可以处于截止状态。
以a=23mm ，b=10mm 的空心矩形波导为例，由截止频率的计算公式
22)()(21b
n
a m f c +=
με
，可以计算GHz f cTE 52.610=，GHz f cTE 04.1320=，GHz f cTE 1501=，所以波导单模工作的频率范围为6.562-13.123GHz 。
二、实验步骤
1、工程设置
打开HFSS，出现新的工程窗口（如图1）。
图1 HFSS工程窗口
（1）设置求解类型Driven Modal（模式激励）。
在菜单中点击HFSS>Solution Type，出现Solution Type窗口，选择Driven Modal （如图2），点击OK。
图2设置求解类型Solution Type窗口
（2）设置模型单位毫米
在菜单栏中点击Modeler>Units，出现Set ModelUnits窗口，选择mm，点击OK （如图3）。
图3 设置模型单位Set Model Units窗口
（3）保存工程命名为waveguide
点击工具栏中的，将工程名字设为waveguide。
2、画波导
点击工具栏中的（Draw box）画矩形波导的长方体模型，在屏幕右下角
出现长方体顶点信息，输入顶点坐标（0，0，0），按回车键；屏幕右下角出现长方体尺寸信息，输入（23，10，50）（如图4），按回车键结束画图过程。
图4画长方体顶点坐标与尺寸设置
在屏幕中间模型列表中的Box1为画出的长方体（如图5），双击Box1，出现Propoties:Project1窗口，将Name一栏的value由Box1改为waveguide（如图6）。
图5
图6
3、设置边界条件
（1）选择波导的四个纵向面。
通过Edit>select>faces,将鼠标设置为选择面的状态（如图7）。
图7 select faces界面
通过按钮（旋转功能）以及ctrl键实现选择多个面，或者通过edit>select>by name（如图8），结合ctrl键选中face10、11、12、9（如图9）。
图8 select by name界面
图9 select face界面
（2）将这四个面设置为理想导体边界。
可以通过点击HFSS>Boundaries>Assign> Perfect E实现，或者点击鼠标右键>Assign Boundary> Perfect E（如图10）。
图10 设置Perfect E边界条件
4、设置激励源wave port
（1）选中波导的一个端口面（垂直于z轴的平面）。
（2）点击HFSS>Excitations>Assign>Wave port，或者点击鼠标右键>assign excitation>wave port（如图11）。
（3）另外一个端口面执行同样的操作。
图11 设置wave port界面
5、设置求解频率
（1）在菜单栏中点击HFSS>Analysis Setup>Add Solution Setup
（2）在求解设置窗口中，设置Solution Frequency：13GHz，其它设为默认值
6、计算及后处理
在菜单栏中点击HFSS>Analyze all
在菜单栏中点击HFSS>Fields>Plot Fields>E，画出电场强度的幅度分布（如图12）。
在Project Manager窗口中，选择dipole>HFSSDesign1>Field Overlays，点击鼠标右键>Animate>OK，可以演示电场强度幅度随着时间变化情况，观察理解电磁波从端口1向端口2传播的过程。
图12 波导中电场强度幅度分布
点击HFSS>Results>Solution Data（如图13），在Matrix Data项中可以查看S参数以及传播常数Gamma等参数（如图14）。
图13 查看solution data界面
图14 S参数及Gamma。